композиционный материал, содержащий углеграфитовый каркас, пропитанный матричным сплавом на основе меди

Формула изобретения

Композиционный материал, содержащий углеграфитовый каркас, пропитанный матричным сплавом на основе меди, содержащим фосфор, отличающийся тем, что матричный сплав дополнительно содержит бескислородную медь в качестве инокулятора при следующем соотношении компонентов матричного сплава, мас.%:

Бескислородная медь	5,0-18,0
Фосфор	4,0-11,0
Медь	Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии и получения армированных композиционных материалов и отливок и может быть использовано для получения пропиткой композиционных материалов, имеющих армирующий углеграфитовый каркас, которые работают в условиях трения в качестве электротехнических изделий, таких как токосъемники, вставки пантографов, электротехнические щетки и т.п. детали.

Известен полученный методом порошковой металлургии спеченный материал, применяющийся для контактных вставок троллейбуса и имеющий следующий химический состав (мас.%): Рb - 12-16; Sn - 3-8; графит - 1-4; Сu - остальное (Патент РФ № 2174563, кл. С22С 009/08; С22С 001/05; Н01Н 001/02, опубл. 10.10.2001). Сплав имеет невысокую проникающую способность и невысокую прочность.

Известен матричный сплав на основе меди, применяемый для получения композиционных материалов (далее - КМ) пропиткой и имеющий следующий химический состав (мас.%): Ti - 16; Sn - 20; Сu - остальное (патент США US 3956568, кл. С22С 1/10; С22С 32/00Е, опубл. 11.05.1976). Сплав имеет достаточно высокую температуру плавления и не предназначен для работы в условиях трения.

Известен также матричный сплав на основе меди, применяемый для получения КМ пропиткой и имеющий следующий химический состав (мас.%): Р - 6,0-10,0; Сu - остальное, в частности, описан эвтектический сплав Р - 8,4; Сu - 91,6 мас.% (патент ФРГ DE 3240709, кл. С04В 41/04, опубл. 10.05.1984). Матричный сплав указанного состава обладает более высокой прочностью и проникающей способностью, чем сплавы, рассмотренные выше. Однако для получения КМ более высокого качества необходимо повышение прочностных и литейных свойств матричного сплава, например жидкотекучести, усадки и проникающей способности.

Техническим результатом данного изобретения является повышение прочностных и литейных свойств матричного сплава и КМ, пропитанного данным матричным сплавом.

Технический результат достигается тем, что композиционный материал, содержащий углеграфитовый каркас, пропитанный матричным сплавом на основе меди, содержащим фосфор, дополнительно содержит бескислородную медь в качестве инокулятора при следующем соотношении компонентов матричного сплава, мас.%: бескислородная медь 5,0-18,0; фосфор 4,0-11,0; медь - остальное.

Введение в состав сплава бескислородной меди в указанном диапазоне концентраций приводит к повышению прочностных свойств матричного сплава и КМ, пропитанного данным матричным сплавом, вследствие измельчения структуры сплава. В связи с тем что температура плавления медно-фосфористого сплава значительно ниже температуры плавления бескислородной меди, частицы введенной меди не успевают до конца раствориться в расплаве, образуя мелкодисперсные частицы в матричном сплаве, которые являются дополнительными центрами кристаллизации, которые, в свою очередь, служат инокуляторами при затвердевании сплава.

Введение в состав сплава бескислородной меди в указанном диапазоне концентраций приводит к повышению проникающей способности матричного сплава вследствие снижения краевого угла смачивания сплава, характеризуемой глубиной затекания последнего в искусственные капилляры, выполненные в углеграфите.

Введение в состав сплава бескислородной меди менее 5,0 мас.% нецелесообразно ввиду отсутствия измельчения структуры сплава и ее влияния на проникающую способность, и поэтому соответственно нет увеличения плотности КМ.

Введение в состав сплава бескислородной меди более 18,0 мас.% приводит к перерасходу дорогостоящего инокулятора, снижению соответственно проникающей способности сплава и недостаточной его прочности сцепления с армирующим каркасом.

Предлагаемый сплав обеспечивает более высокие прочностные свойства матричного сплава и КМ, пропитанного данным матричным сплавом.

Пример конкретного изготовления.

ПРИМЕР 1

Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: Р - 3,5; Сu - остальное, бескислородная медь - 18,0).

Приготовление сплава производится следующим образом: в расплав медно-фосфористой лигатуры МФ9 ГОСТ 4515-93 при температуре 965°С добавляют гранулированную бескислородную медь марки М0Б ГОСТ 859-2001 в количестве 18%. Плавление осуществляется в индукционной печи (вакуумной литьевой машине Indutherm VC-400). Конструкция печи позволяет осуществлять непрерывное перемешивание ингредиентов сплава в вакууме и разливку под избыточным давлением аргона.

Изготовление КМ производилось пропиткой каркаса из углеграфита марки АГ-1500 матричным сплавом под давлением 12 МПа при температуре 965°С и выдержкой под давлением 20 мин.

В качестве технологических характеристик сплава исследовались его плотность, твердость, прочность на сжатие, электросопротивление, проникающая способность и поверхностное натяжение по отношению к углеграфитовому каркасу.

В качестве технологических характеристик КМ определялись плотность и прочность на сжатие.

Прочность сплава и КМ на сжатие определялись на цилиндрических образцах диаметром 20±0,2 мм и высотой 20 мм при настройке разрывной машины на максимальную нагрузку 10000 Н.

Проникающая способность сплава по отношению к углеграфитовому каркасу определялась по глубине затекания сплава в отверстия диаметром 1,0 мм, выполненные в дне углеграфитового стакана. Для этого в графитовый стакан с конусным основанием вставляли углеграфитовый стакан меньшего диаметра с выполненными в нем отверстиями. Таким образом, капли расплава, протекшего через отверстия, собирались на дне графитового стакана. Капли взвешивали и рассчитывали объем металла, протекший через отверстия. Затем рассчитывали глубину затекания сплава в отверстия. Для уточнения результатов на проникающую способность сплавы исследовали по оригинальной методике, суть которой приводится ниже.

В дне каждого стакана выполнялись три отверстия диаметром 1,0 мм. Проникающая способность определялась как среднее значение глубины затекания из трех опытов. Испытания проводились в атмосфере аргона.

Время изотермической выдержки сплава при температуре 965°С составляло 20 мин, постоянство металлостатического давления на дно стакана обеспечивалось заливкой сплава в стакан.

Для определения поверхностного натяжения сплавов изготавливались углеграфитовые подложки, на которые помещались навески сплава. Подложки с навесками, в свою очередь, помещались в алундовую трубку для нагрева в трубчатой печи. Затем по контуру капли рассчитывали поверхностное натяжение методом Дарси. Измерение поверхностного натяжения производили при температуре 965°С.

Плотность КМ определялась как процент заполнения открытых пор. При этом объем открытых пор определялся на образцах, предварительно пропитанных водой, с последующим определением веса и объема заполнившей образец воды. Сходимость результатов находится в пределах погрешности 1% с определением открытой пористости на ртутном пористомере.

Твердость матричного сплава определялась на цилиндрических образцах диаметром 20±0,2 мм и высотой 20 мм на прессе Бринелля.

Удельное электрическое сопротивление матричного сплава определялось на цилиндрических образцах диаметром 20±0,2 мм и высотой 5 мм вихретоковым методом на приборе «Вихрь-АМ» по ГОСТ 27333-87 после предварительной подготовки образцов по ГОСТ 193-79.

Матричный сплав и КМ на его основе в условиях испытаний показали: глубину затекания - 0 мм, поверхностное натяжение - 1,63 Н/м, температуру пропитки - 965°С, твердость по Бринеллю - 102, удельная электрическая проводимость - 9,4 МСм/м, плотность - 45,3%, прочность на сжатие - 220 МПа.

ПРИМЕР 2

Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: Р - 4,0; Сu - остальное, бескислородная медь - 16,0).

Пример сплава и условия его испытаний аналогичны примеру 1.

Глубина затекания - 0,1 мм, поверхностное натяжение - 1,59 Н/м, температура пропитки - 965°С, твердость по Бринеллю - 112, удельная электрическая проводимость - 9,0 МСм/м, плотность - 49,7%, прочность на сжатие - 225 МПа.

ПРИМЕР 3

Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: Р - 7,5; Сu - остальное, бескислородная медь - 8,5).

Глубина затекания - 8,5 мм, поверхностное натяжение - 1,19 Н/м, температура пропитки - 965°С, твердость по Бринеллю - 181, удельная электрическая проводимость - 7,8 МСм/м, плотность - 64,1%, прочность на сжатие - 235 МПа.

ПРИМЕР 4

Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: Р - 11,0; Сu - остальное, бескислородная медь - 4,5).

Глубина затекания - 9,7 мм, поверхностное натяжение - 0,86 Н/м, температура пропитки - 965°С, твердость по Бринеллю - 237, удельная электрическая проводимость - 5,7 МСм/м, плотность - 57,9%, прочность на сжатие - 260 МПа.

ПРИМЕР 5

Сплав с содержанием ингредиентов (мас.%: Р - 11,5; Сu - остальное, бескислородная медь - 4,0).

Глубина затекания - 9,5 мм, поверхностное натяжение - 0,83 Н/м, температура пропитки - 965°С, твердость по Бринеллю - 245, удельная электрическая проводимость - 5,5 МСм/м, плотность - 58,5%, прочность на сжатие - 265 МПа.

Примеры на варьирование составом сплава, обосновывающие влияние содержания фосфора на технологические характеристики сплава и КМ, приведены в таблице 1.

В сравнении со сплавом-прототипом (Патент ФРГ № 3240709) предлагаемый сплав обеспечивает большую твердость и прочность на сжатие в результате инокулирования бескислородной медью, приводящего к повышению прочностных свойств матричного сплава и КМ, пропитанного данным матричным сплавом.